第2期工礦自動(dòng)化No, 22008年4月Industry and Mine AutomationApr.2008文章編號(hào):1671- 251X(2008)02 -0100-03煤炭除雜自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)吳濤(北京神華國際技術(shù)有限責(zé)任公司,北京100011)摘要:文章介紹了煤炭除雜自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及各組成部分的工作原理。該系統(tǒng)采用困象處理和識(shí)別技術(shù)對(duì)謀與雜物進(jìn)行識(shí)別,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤.雜物的自動(dòng)關(guān)鍵詞:謀礦;除雜;自動(dòng)化;計(jì)算機(jī)視覺;關(guān)節(jié)式機(jī)械手;運(yùn)動(dòng)分析;控制系統(tǒng)中圖分類號(hào):TD67文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B2.1 硬件配置0引言考慮到現(xiàn)場的情況,選用CM0S攝像頭,像素針對(duì)目前我國煤雜分選大多采用手選,工人勞為3 000 000;采集卡選用北京中自公司的M10_ L,動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣等情況,筆者微機(jī)為586以上,內(nèi)存32MB以上,硬盤800MB以設(shè)計(jì)了煤炭除雜自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)視覺上,硬件必須和采集卡兼容(否則易死機(jī));考慮到環(huán)系統(tǒng)和機(jī)械手聯(lián)合起來,大大改善了工人的工作環(huán)境的影響,選用可見光作為光源(白熾燈);為使圖象境,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,具獲得高對(duì)比度,照射方法選用背向照明,即被測物放有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在光源和攝像機(jī)之間。2.2軟件設(shè)計(jì)1系統(tǒng)組成圖象的實(shí)時(shí)采集、處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序均由VB煤炭除雜自動(dòng)化系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)、關(guān)語言編寫(程序略)。圖象處理部分包括:節(jié)機(jī)械手和控制系統(tǒng)3個(gè)部分,如圖1所示。(1)圖象的平滑處理:采用中值濾波法(較均值濾波效果好,但所需時(shí)間較長)。白熾燈(2)閾值的提取和圖象的二值化:采用大凈的尿采集控制設(shè)備攝像頭.判斷分析法,即將被分開的兩部分像素之間方差最雜物計(jì)算機(jī)通信電路輸送帶-執(zhí)行機(jī)構(gòu)大的像素作為閾值,閾值由程序自動(dòng)產(chǎn)生,根據(jù)閾值二值化圖象。(3)二值化圖象的邊界跟蹤:跟蹤方法是在左圖1系統(tǒng)組成圖手法則和搜索法的基礎(chǔ)上,針對(duì)該系統(tǒng)的具體情況2計(jì)算機(jī)枧覺系統(tǒng)進(jìn)行改善。具體做法是圍繞物體中心在360°內(nèi)分成4個(gè)搜索方向,分別對(duì)應(yīng)1個(gè)搜索因子,如圖2所該系統(tǒng)的主要功能是通過對(duì)圖象的實(shí)時(shí)采集處示。找到物體的初始點(diǎn)后,先以3點(diǎn)鐘方向?yàn)槌跏祭?識(shí)別出輸送帶上產(chǎn)品中的雜物(前提:產(chǎn)品、輸方向,順時(shí)針?biāo)阉?當(dāng)相對(duì)搜索因子大于4時(shí),搜索送帶與雜物的像素值存在著較大的差別),并將需取方向改為以6點(diǎn)鐘方向?yàn)槌跏挤较蚶^續(xù)順時(shí)針?biāo)央s物的重心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量,進(jìn)索,依次循環(huán),直至與初始點(diǎn)重合,停止搜索(稱其為而轉(zhuǎn)換各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)所需的脈沖數(shù),通過I/O接口時(shí)鐘法)。送出脈沖給電機(jī)控制器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使機(jī)械手到中國煤化工的是為了順利找達(dá)目標(biāo)點(diǎn),抓取物體,以達(dá)到除雜的效果。到下JTTHCNMH G有多個(gè)雜質(zhì)的情況,充為另一灰度值收稿日期:2007-08-24作者簡介:吳濤(1980-).男 ,江蘇常州人,碩士,助理工程師，(如200)。經(jīng)過圖象處理最后得到雜質(zhì)的面積以及現(xiàn)主要從事煤炭深加工技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的研發(fā)工作。該物體的重心坐標(biāo)(單位像素),判斷最大雜物的面2008年第2期昊濤:煤炭除雜自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)101●積是否大于一定的值,如果大于,即將其重心坐標(biāo)進(jìn)運(yùn)行時(shí)間 ,這里放棄位置求解法(因它需要進(jìn)行坐標(biāo)行單位轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化為毫米級(jí)(每像素長=0.5 mm,每系的連續(xù)變換，即變換矩陣的連乘,軟件實(shí)現(xiàn)較困難，像素寬=0.33 mm) ,再根據(jù)物體重心坐標(biāo)與各電機(jī)且所需時(shí)間較長),而推出一種求運(yùn)動(dòng)方程的逆解法，所需脈沖數(shù)的關(guān)系,將坐標(biāo)數(shù)轉(zhuǎn)變成電機(jī)的脈沖數(shù)，也可稱為間接位置求解法。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:通過對(duì)VB自身的MSComm控件將脈沖數(shù)傳給單先求大.小臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù),根據(jù)大、小臂的相對(duì)片機(jī)8031。運(yùn)動(dòng)情況,可將大、小臂看作為-一個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，也就12點(diǎn)鐘方向是說大.小臂通過.一個(gè)關(guān)節(jié)相連接的目的是改變執(zhí)搜索因子kit行機(jī)構(gòu)的長度。于是角度的轉(zhuǎn)變過程便可看成是長度調(diào)整的過程,而大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)最終帶動(dòng)末端執(zhí)行器9點(diǎn)鐘方向-. 3點(diǎn)鐘方向到達(dá)所指定的坐標(biāo)。小臂相對(duì)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)使AC間的搜索因子kig搜索因子kin距離調(diào)整到AC' ,使得AC的距離等于AE的距離。.大臂轉(zhuǎn)過0角,相應(yīng)的小臂運(yùn)動(dòng)到E處。其運(yùn)動(dòng)軌6點(diǎn)鐘方向跡如圖3所示(在大、小臂所在平面內(nèi),以大臂與底搜索因子kim座接觸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系)。.圖2方向搜索示意圖C"(%".,")3關(guān)節(jié)式機(jī)械手的設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式選用電力驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)_ 小臂/_BXmn)源選用步進(jìn)電機(jī),自由度數(shù)設(shè)計(jì)為5個(gè),能完成5個(gè)CUXaY6)大oy運(yùn)動(dòng)，即腰回轉(zhuǎn)、肩回轉(zhuǎn)、肘回轉(zhuǎn)、手腕擺動(dòng)和手的張合。采用點(diǎn)位控制方式，能抓取最大為0.5 kg的物4(0.0)Cux,Y)體(最大體積為80 mmX80 mmX80 mm)。手爪的張.Eu.n開由電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn),手爪的閉合由回復(fù)彈簧完成;通過電機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)確保機(jī)械手爪始終垂直向圖3大、小臂運(yùn)動(dòng)軌跡圖下;而大.小臂的回轉(zhuǎn)和底座的轉(zhuǎn)動(dòng)由齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖3中,圓O。表示長度AC調(diào)節(jié)為AE時(shí)可能底座中心布置在輸送帶的中間,以機(jī)械手爪能存在的C點(diǎn)的集合;圓O表示大臂不動(dòng)時(shí),只轉(zhuǎn)動(dòng)夠到達(dá)的扇形區(qū)域?yàn)橐罁?jù),由作圖法確定大,小臂的小臂上C點(diǎn)的集合,它與圓O。的交點(diǎn)有2個(gè):C和長度分別為500mm,450mm.CMOS攝像頭布置C". 等價(jià)于求圓X2 +Y=AE與圓(X- Xg)°+在機(jī)械手的前方,兩者之間的距離由輸送帶的速度(Y-Yg)*=BC'的交點(diǎn)坐標(biāo)。通過計(jì)算得C'和C"和圖象處理以及機(jī)械手動(dòng)作所耗時(shí)間共同決定。考的坐標(biāo)值,這時(shí)可比較BC'和BC'的大小，取其較小慮到機(jī)器人在工作過程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍較大，值。由圖3可知:0=0',利用余弦定理可求出0i因而各構(gòu)件重力所引起的偏重力矩很大，如果不采和02:取措施,勢必會(huì)引起驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)部件尺寸和重q=0= AC"+AE'-BEC"2AC●AE量增大,人工示教費(fèi)力,且不能在任意位置停機(jī),所.e,= BC"+BC'-CC'以在結(jié)構(gòu)中,設(shè)計(jì)選用彈簧式平衡裝置來抵消或減2BC. BC小偏重力矩的影響。此外,對(duì)大、小臂的傳動(dòng)齒輪采.取[、I、IV.V分別為手腕、肘、肩、腰處驅(qū)動(dòng)電用合適的制動(dòng)器,進(jìn)一步確保系統(tǒng)的精確定位。機(jī), I、IV電機(jī)的步距角為a=1.5°/步,大臂驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)比i=5(電機(jī)配套減速器傳動(dòng)比為2),小臂4運(yùn)動(dòng)分析驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)比ir=4,則需送給I號(hào)電機(jī)的脈沖數(shù)由于控制方式采用點(diǎn)位控制,故無需考慮初始8.點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的移動(dòng)路徑。由于初始點(diǎn)已知，目中國煤化工沖數(shù)m。=2a.n標(biāo)點(diǎn)可通過攝像頭獲取圖象,經(jīng)采集卡進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)_6CNM H G.”1號(hào)步近電禮時(shí)切能定休證手爪始終垂直換后送入PC機(jī)內(nèi)存?？紤]到現(xiàn)場輸送帶的速度.向下,其轉(zhuǎn)過的角度是W、IV號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)過角度之和，(1~2 m/s) ,故必須優(yōu)化程序的設(shè)計(jì),減少程序的102●工礦自動(dòng)化2008年4月因其步距角a=1.5*/步,傳動(dòng)比i=1,故需送給I號(hào)電機(jī)的脈沖數(shù)m2 =8+6_ 0+h.R電機(jī)人相a.i4N25包rDI同理,在水平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系,可求出V號(hào)| 8713電機(jī)所需的脈沖數(shù)ns。專↓本系統(tǒng)中各關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)(控制手爪電機(jī)除外)是同時(shí)工作的，而各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)量不相同,傳動(dòng)比也圖5光電離 合器電路圖不同,導(dǎo)致輸入脈沖數(shù)不同,顯然m大于m和n,因單片機(jī)采用工業(yè)供電,可使用圖6所示的電路穩(wěn)壓濾波。各脈沖數(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的位置如下所示:m78035ττ°msICDB10假設(shè)ms>m: ms>n, ,從小到大重新排序:n?再對(duì)各脈沖數(shù)作進(jìn)-一步 處理:告脂一n m一m的s-n|圖6穩(wěn)壓濾波電路圖經(jīng)過上述處理后，機(jī)械手的動(dòng)作就可按順序完為了能將圖象處理后的各電機(jī)脈沖通過單片機(jī)成各個(gè)脈沖數(shù)。完成- .個(gè)脈沖數(shù)后調(diào)整電機(jī)的選通送入各電機(jī),單片機(jī)與微機(jī)之間選用串行通信,通信方式繼續(xù)下一個(gè)脈沖數(shù),這樣就解決了4個(gè)電機(jī)同接口電路如圖7所示。步工作的問題。Txup__ 好，fRxD5控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)-12控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。GNDIBM-PC080008圖7通信接口電路圖圖4控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6結(jié)語步進(jìn)電機(jī)的步數(shù).方向和速度的控制都由微機(jī)實(shí)現(xiàn),通過各接口進(jìn)行信號(hào)的傳遞,并作必要的隔該系統(tǒng)具有自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)控制、體積小.重量離;驅(qū)動(dòng)器的作用是將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大.輕、運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)簡單、控制方便等特點(diǎn),通過識(shí)別綜合考慮各方面因素,選用8031單片機(jī)作為處并自動(dòng)除去原煤中的雜物(如矸石、木塊和雷管),有理器的核心元件,片內(nèi)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),振蕩頻率為利于提高我國原煤的精度。如果在雜物周圍覆蓋著11. 059 2 MHz,復(fù)位電路選擇上電復(fù)位。對(duì)存儲(chǔ)大量的黑色煤塵,這時(shí)就需要在識(shí)別之前加上去除器.I/O口進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展,采用芯片8713 作為脈煤塵的環(huán)節(jié),或者再采用其它方法作為輔助手段。沖分配器,單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖進(jìn)行速度控制參考文獻(xiàn):和轉(zhuǎn)向控制,脈沖分配的工作交給脈沖分配器自動(dòng)[1]張遠(yuǎn)鵬. 計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京完成,大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。大學(xué)出版社,1996.由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大,所以單片機(jī)2] 王新成高級(jí)圖象處理技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技與步進(jìn)電機(jī)連接的接口電路選用可編程接口芯片術(shù)出版社,2001.8255A.驅(qū)動(dòng)器選用大功率復(fù)合管,驅(qū)動(dòng)電路選擇[3]劉富強(qiáng).基于圖象處理與識(shí)別技術(shù)的煤礦研石自動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)。為了抗干擾或避免-且驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生中國煤化工故障,造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)M.HCNMH G徐州:中國礦業(yè)大學(xué)而燒毀元器件,在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間加一級(jí)光電[5]王庭樹. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M].西安:西安科技離合器電路,如圖5所示。大學(xué)出版社,1990.